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聽!昆蟲分泌物能“唱歌”

2021-09-26 10:57:59    中國科學報

通過抬高腹部,昆蟲隨時準備在受到騷擾時釋放防御性揮發物。圖片來源:Jean-Luc Boev

一些昆蟲能分泌化學物質擊退“敵人”。人類有時能聞到它們,甚至看到它們,但是很難想象可以聽見這些物質。

近日,研究人員首次提出了一種理解單一及混合昆蟲分泌化學物生物活性的新方法,即通過一個聲化過程將昆蟲分泌物的化學信號建模為聽覺信號。換句話說,他們將分泌物的化學成分轉換成了可以聽到的聲音,并測量了人類的反應。

9月23日,相關論文刊登于《模式》。

聽見分泌物

葉蜂幼蟲能分泌揮發性化學物質擊退捕食者,尤其是螞蟻。

一直以來,研究人員通過組織獵物和捕食者評估這些防御措施的有效性,即所謂的生物測試。但僅使用生物測試很難量化復雜混合物的生物活性——如昆蟲釋放的揮發性防御分泌物,以及單一化合物對混合物驅避性的影響。

“生物測試本身可能很困難,例如,人們難以采集到足夠的獵物和/或捕食者。”論文通訊作者、比利時皇家自然科學研究所昆蟲學家Jean-Luc Boev在接受《中國科學報》采訪時說。

2009年4月,Boev首次提出了將揮發性化學物質轉化為聲音的想法。

“一些小分子,比如醋中含有的醋酸或一些螞蟻釋放的刺激性甲酸,非常易揮發,并能迅速擴散到空氣中。”Boev說,“所以,我認為有可能將不同程度的揮發性轉化為相應高低的音調,以及將其他化學特征轉化為聲音特征。”

實際上,化學物質能通過一種名為聲化的過程轉化成聲音。每個分子的重要特征,比如它的分子量和官能團,都可以被映射到聲音的不同參數上,比如音高、持續時間和音色。

“我們選擇將化學物質轉化為聽覺信號的一個主要原因是,這兩種信號都是隨著時間的推移而進化的,例如聞到的氣味和聽到的聲音,這兩種感知從開始到結束通常都隨時間而變化。”Boev說。

螞蟻啥感受

Boev和布魯塞爾工業研究所信息工程師Rudi Giot將這些化學信息輸入到一個合成器中,后者會為每個分子制作聲音,然后這些聲音會在不同的音量水平上被混合,最終錄下昆蟲防御性分泌物的“聲音”。

“化學信號介導了昆蟲主要的生態相互作用。為了在不同感知中表征化學數據,我們在分貝水平上混合了轉化后的聲音信號,以反映這些化學物在不同物種的特定分泌物中的相對濃度。”Giot說。

那么,這些聲音能很好地代表分泌物嗎?如何判斷?

“我們的主要目標就是回答這兩個問題。最初,我們假設聽到的聲音可以代表揮發物,這一假設得到了刺激傳播時空動態模擬的支持。”Boev說。

之后,研究人員通過生物檢測,對比了人類聽眾與捕食者(這里是螞蟻)對這些防御性揮發物的反應,進而驗證了這一假設。統計分析表明,螞蟻對揮發物的反應與人類對相應聲音的反應類似。

他們還量化了這些聲音使人類感到不愉快的程度——測量受試者與揚聲器有多遠才能到達“舒適距離”。他們表示,在大約50名參與者中,有一部分人將這些聲音描述為不愉快甚至令人恐懼的聲音,可以與恐怖或科幻電影中的背景音樂片段相媲美。

“聲化使我們能夠通過聽到防御性分泌物的生物活性得到新認識,并通過測量聲音強度量化這種認識。”Boev說。

這項研究還利用了這樣一個事實:人腦處理信息的方式因信息感知器官的不同而異。Giot說:“通常,聲化過程用于檢測大數據集的特定元素。例如地震數據中記錄的地震,或者互聯網數據流中的網絡黑客行為。”

用聲音感知

實際上,為了理解一個復雜現象,聲學經常被用來連接兩個不相關的領域。除了昆蟲分泌物,細胞、病毒、輻射、天體甚至“上帝粒子”等都能有自己獨特的聲音。

聲化技術的使用可以追溯到1908年甚至更早——德國物理學家蓋革當時設計并制成了一臺α粒子計數器。輻射會使計數器中的氣體電離產生電流脈沖,從而發出連續不斷的咔嗒聲。該設備至今仍是核物理學和粒子物理學不可缺少的探測器,是實驗室中敏銳的“眼睛”。

新冠肺炎疫情期間,新冠病毒刺突蛋白結構也被轉譯成音樂。美國麻省理工學院的Markus J. Buehler同樣使用聲化技術,給每個氨基酸分配一個獨特的音階音符,從而把整個蛋白質轉換成初步的樂譜。編鐘聲、撥弦聲、長笛聲代表了刺突蛋白質的不同方面。研究人員認為,這種方法比傳統的蛋白質研究方法(如分子建模)更快、更直觀,可以幫助科學家更容易找到抗體或藥物可能結合的蛋白質位點——只需搜索與這些位點對應的特定音樂序列。

高能物理學家Piotr Traczyk為了紀念歐洲大型強子對撞機發現“上帝粒子”——希格斯玻色子,選取了搜索過程中的兩張主要數據圖,將其中一張圖的數據轉化為音符,最終譜寫出一首希格斯玻色子重金屬搖滾樂。

另一方面,聲音也能“創造”全新蛋白質。Buehler團隊將蛋白質的復雜結構轉化成樂譜,隨后給電腦一個序列,人工智能系統就能設計出一種在自然界中從未有過的蛋白質。相關論文刊登于《APL生物工程》。Buehler 表示,這樣一種方法為制造全新的生物材料鋪平了道路。

不過,對于昆蟲分泌物研究而言,聲化技術還存在限制。該技術僅限于對利己素的研究,可能在諸如信息素的研究中沒有用處。“信息素作用于同一種個體之間,利己素作用于物種之間。信息素在進化過程中被精細地調節以引出特定行為,例如聚集、示警和繁殖等。從化學角度來看,信息素通常比異種激素混合物簡單得多——包含的化合物更少。”Boev說。

目前,研究人員正繼續研究其他大型化學物質數據集,以開發揮發性物質聲化創新方法。Boev希望新方法能與現有的揮發性物質測試技術相互補充,特別是在昆蟲較少的季節或難以獲取足夠分泌物的情況下。(記者 唐鳳)

 

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